濕硫化氫環境20號鋼高匹配焊接接頭開裂分析

沈紅杰

(中國石化上海高橋石油化工有限公司，上海 200137)

1 焊接接頭的強度匹配

一般焊接結構的設計原則基本上是強度設計。在實際的焊接結構中，焊縫與母材在強度上的配合關系有3種，其中焊縫強度低于母材為低匹配，焊縫強度等于母材為等強匹配(簡稱等匹配)，焊縫強度超出母材為高匹配【1】。從結構的安全可靠性考慮，焊接材料的選擇原則一般是焊縫金屬的性能(包括強度)高于或等于母材。

20號鋼普遍應用于煉化裝置的壓力容器、管道、換熱器和空冷器的管束。其手工電弧焊(SMAW)一般選用J427(或J422)焊條，有時也選用J507焊條。20號鋼抗拉強度Rm≥410 MPa，J422和J427焊條熔敷金屬抗拉強度Rm≥430 MPa， J507焊條熔敷金屬抗拉強度Rm≥430 MPa，因此20號鋼選用J427(或J422)焊條為等匹配，選用J507焊條為高匹配。由于碳鋼強度和硬度比較低，煉油廠中使用的典型碳鋼一般不會受到硫化物應力腐蝕開裂(SSCC)影響【2】，但在實際使用中發現選用J507焊條焊接的20號鋼接頭在濕硫化氫環境中出現SSCC，因此需進一步研究分析。

2 工程失效案例

2.1 酸性水汽提裝置

某公司煉油廠酸性水汽提裝置采用雙塔汽提裝置工藝流程，分別回收硫化氫、氨和凈化水。酸性水管道的材質為20號鋼無縫鋼管，管道安裝時采用J507(E5015)焊條，焊接接頭焊后沒有進行消應力熱處理。

該裝置投產運行1年左右，酸性水管線發生多次開裂泄漏，裂紋主要位于酸性水原料管線的焊接接頭處，長度較短，一般<5 mm。裝置在停工檢修期間，對部分酸性水管道焊接接頭進行射線檢測，抽查檢測管線500 m，未發現明顯裂紋。同時對部分DN80以上管線焊接接頭增加消應力熱處理。但從運行情況來看，效果并不明顯。檢修后開工半年左右，又發現20多處焊接接頭開裂泄漏，其中6處曾在停工檢修時進行過增加的消應力熱處理。

所有的裂紋都起源于管道內壁，裂紋主要出現在焊縫、熔合線附近，如圖1和圖2所示。……